基于ARM的原子吸收分光光度計(jì)元素?zé)粝渥酉到y(tǒng)設(shè)計(jì)

金　燁,　魏立峰，　王慶輝,　古新雷，　李　月

(1.沈陽化工大學(xué) 信息工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142；　2.沈陽華光精密機(jī)械有限公司， 遼寧 沈陽 110036)

?

基于ARM的原子吸收分光光度計(jì)元素?zé)粝渥酉到y(tǒng)設(shè)計(jì)

金燁1,魏立峰1，王慶輝1,古新雷2，李月2

(1.沈陽化工大學(xué) 信息工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142；2.沈陽華光精密機(jī)械有限公司， 遼寧 沈陽 110036)

摘要:針對目前市場上的原子吸收分光光度計(jì)采用集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，提出了以分布式系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案.系統(tǒng)以ARM構(gòu)架的嵌入式系統(tǒng)為控制核心，采用CAN總線為模塊間的通信系統(tǒng).以系統(tǒng)中關(guān)鍵模塊單元元素?zé)粝渥酉到y(tǒng)為設(shè)計(jì)對象，通過3個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制光路切換，利用D/A芯片進(jìn)行光路電流控制，ARM內(nèi)置12位A/D完成整個(gè)系統(tǒng)電路自檢，電磁繼電器控制高壓的開斷，最后通過CAN總線進(jìn)行與PC機(jī)的數(shù)據(jù)通信,從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)子系統(tǒng)的控制.目前整個(gè)子系統(tǒng)已調(diào)試完畢，測試結(jié)果表明:分布式系統(tǒng)的排線更少，控制更精準(zhǔn)，具有很好的市場競爭力.

關(guān)鍵詞：分光光度計(jì)；嵌入式系統(tǒng)；CAN；分布式系統(tǒng)

目前企業(yè)的原子吸收分光光度計(jì)使用的是集中控制系統(tǒng)[1-2]，但系統(tǒng)復(fù)雜,導(dǎo)線多,維護(hù)和器件成本較高.隨著通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，推動著分析檢測系統(tǒng)由孤立的分布式現(xiàn)場分析檢測系統(tǒng)向著開放的嵌入式網(wǎng)絡(luò)分析檢測系統(tǒng)的方向發(fā)展.本課題所做的即為克服目前企業(yè)系統(tǒng)的缺點(diǎn)，建立一套完整的分布式系統(tǒng).基于ARM的無機(jī)成分分析檢測系統(tǒng)，是一個(gè)典型的嵌入式網(wǎng)絡(luò)分析檢測系統(tǒng)[3]，本文所實(shí)現(xiàn)的是該系統(tǒng)中的一個(gè)嵌入式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)——元素?zé)粝淠K.

1原子吸收分光光度計(jì)介紹

1.1 原子吸收分光光度計(jì)工作原理

原子吸收分光光度計(jì)的工作過程比較復(fù)雜，其整個(gè)儀器的工作原理框圖如圖1所示.下面來進(jìn)行簡單闡述.

圖1　原子吸收分光光度計(jì)工作原理框圖

整個(gè)過程首先由空心陰極燈發(fā)出特征光，經(jīng)聚光鏡 L1 成像在原子化器中心，又經(jīng)聚光鏡 L2 聚焦在入射狹縫 S1上并進(jìn)入單色儀.進(jìn)入單色儀的復(fù)合光由球面反射鏡 M 變成平行光照到光柵 G上，經(jīng)光柵分光后，復(fù)合光變成不同波長、沿不同方向行進(jìn)的單色平行光，又由球面反射鏡 M 將各單色平行光聚焦成像于出射狹縫 S2 平面上，轉(zhuǎn)動光柵可使不同波長的單色光依次穿過 S2，照射到光電倍增管 PM上,由光電倍增管轉(zhuǎn)換成電信號.

當(dāng)要進(jìn)行背景校正時(shí)，將光速合成器 b.c移入光路，這樣氘燈發(fā)出一束與空心陰極燈時(shí)間、相位不同的光，經(jīng)光束合成器后,與空心陰極燈合并為同一光束.由光電倍增管轉(zhuǎn)換成的電信號很微弱，還需經(jīng)電子線路作進(jìn)一步的放大處理而得到“能量”信號.

1.2元素?zé)粝湓谠游辗止夤舛扔?jì)的功能和作用

在1.1中介紹了原子吸收分光光度計(jì)的工作原理，概括起來即是加熱樣本，當(dāng)溫度達(dá)到3 000 ℃時(shí)，樣本會原子化.而不同的原子會吸收不同元素的光，從而導(dǎo)致光路的變化，最后轉(zhuǎn)換成電壓變化，從而被檢測.

在檢測不同的元素時(shí)，儀器需要使用不同的元素?zé)簟⒉煌谋尘盁?而在使用同一個(gè)元素?zé)魰r(shí)，也需要改變該元素?zé)舻碾娏鞔笮砀淖儫艄獾牧炼?在整個(gè)原子吸收分光光度計(jì)中，元素?zé)羰枪潭ú粍拥模韵胍褂貌煌脑責(zé)艄鈦頇z測樣本，只能使用切換切光鏡，半透半反鏡以及濾光鏡3個(gè)電機(jī)來改變光路.

元素?zé)粝湓谡麄€(gè)原子吸收分光光度計(jì)中的作用是調(diào)整整個(gè)儀器的光路部分，從切換不同的元素?zé)?、濾除不需要的光波到燈光的亮度，都由元素?zé)粝淇刂?所以在整個(gè)儀器中，元素?zé)粝淠K起著至關(guān)重要的作用.

2元素?zé)粝涞挠布O(shè)計(jì)

根據(jù)元素?zé)粝湓谙到y(tǒng)的功能和作用，將元素

燈箱的硬件設(shè)計(jì)主要分為以下幾個(gè)部分：處理器部分、電源部分、CAN通訊接口部分、步進(jìn)電機(jī)部分、DA部分、鎢燈控制部分、氘燈控制部分、元素?zé)艨刂撇糠?、信號?qū)動部分、信號檢測部分、光電檢測部分、調(diào)試接口部分.元素?zé)粝溆布O(shè)計(jì)框圖如圖2所示.

圖2　元素?zé)粝溆布O(shè)計(jì)框圖

從元素?zé)粝溆布O(shè)計(jì)框圖中可以看出：所用的主芯片是STM32F407VGT6[4]，控制了3個(gè)電機(jī)來切換光路.在設(shè)計(jì)中，由于分布式系統(tǒng)模塊較多，需要同步，所以，模塊加入了時(shí)序來同步不同的模塊.在控制燈電流時(shí)，外接了D/A轉(zhuǎn)換芯片，通過控制D/A的輸出達(dá)到控制元素?zé)綦娏鞯哪康?系統(tǒng)通信采用了CAN總線進(jìn)行通信，由于STM32F407系列自帶了CAN總線控制器，所以，在硬件外圍加入CAN驅(qū)動電路即可使用CAN通信.

3元素?zé)粝涞耐ㄐ旁O(shè)計(jì)

3.1元素?zé)粝渫ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

元素?zé)粝渫ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3　系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)

儀器的設(shè)計(jì)是基于分布式測量控制的思想，按照儀器各模塊功能和物理位置將功能分散到主控及5個(gè)從模塊，所以，使用CAN通信是個(gè)很好的選擇.整體系統(tǒng)的功能由這6個(gè)從模塊協(xié)同完成，這些從模塊均掛接在CAN通信總線上，通過USB-CAN板卡作為橋梁與主控通信，通過CAN控制網(wǎng)絡(luò)連接起來構(gòu)成一個(gè)分布式處理儀器系統(tǒng).

主控通過USB-CAN板卡作為橋梁與從模塊進(jìn)行通信.各個(gè)從模塊之間也需要通信，由于某些命令需要某兩個(gè)模塊同步協(xié)調(diào)完成，除了CAN信號線外，還需要在某些從模塊之間添加幾根同步信號線，用來進(jìn)行時(shí)間同步指示和數(shù)據(jù)的傳送.

3.2元素?zé)粝渫ㄐ艌?bào)文設(shè)計(jì)

由于整個(gè)系統(tǒng)比較龐大，通信比較復(fù)雜，所

以，設(shè)計(jì)一個(gè)通信協(xié)議報(bào)文是非常必要的.在設(shè)計(jì)CAN協(xié)議報(bào)文的時(shí)候，首先考慮的便是地址，不同模塊設(shè)定了不同地址，所以，報(bào)文中加入了源節(jié)點(diǎn)地址與目的節(jié)點(diǎn)地址.

在系統(tǒng)中，還有各種不同的命令由主控向各個(gè)模塊發(fā)送，所以，加入了功能碼來定義主控發(fā)出的不同指令.

最后發(fā)送的便是數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)也分不同種類的數(shù)據(jù)，例如響應(yīng)、應(yīng)答、真正的采集數(shù)據(jù)，所以，加入了數(shù)據(jù)類型，整個(gè)報(bào)文協(xié)議格式如表1所示.

表1　報(bào)文協(xié)議格式

其中SrcID為發(fā)送數(shù)據(jù)幀設(shè)備的ID編號，DestID為接收數(shù)據(jù)幀設(shè)備的ID編號(注：SrcID地址不能是廣播地址0xF).

FuncID(功能碼)使用了8位，具體定義了系統(tǒng)中數(shù)據(jù)和命令交換或傳遞的種類.

Type與subType定義了當(dāng)前上傳數(shù)據(jù)的類型，是快速響應(yīng)、應(yīng)答又或者是采集的數(shù)據(jù).

4元素?zé)粝涞南挛粰C(jī)軟件設(shè)計(jì)

元素?zé)粝涞南挛粰C(jī)使用Keil開發(fā)軟件進(jìn)行軟件開發(fā)，利用C語言進(jìn)行元素?zé)粝淠K的程序編寫.在編寫程序前，考慮到整個(gè)程序非常龐大，要做的工作非常多，需要一個(gè)實(shí)時(shí)可搶占的內(nèi)核，任務(wù)進(jìn)程必須具有優(yōu)先級，并且容易切換.最后，為元素?zé)粝淠K選擇了uC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)[5]來進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā).

在元素?zé)粝涞能浖_發(fā)過程中，最后通過元素?zé)粝涓鱾€(gè)動作的功能特點(diǎn)，將整個(gè)元素?zé)粝涞能浖譃?0個(gè)uC/OS-Ⅱ任務(wù)來實(shí)現(xiàn)，其任務(wù)流程圖如圖4所示.

從任務(wù)流程圖中可以看出：本模塊的軟件設(shè)計(jì)分成了10個(gè)任務(wù).每個(gè)任務(wù)就是一個(gè)線程，每個(gè)任務(wù)中間延時(shí)10 ms，當(dāng)一個(gè)任務(wù)進(jìn)入10 ms休眠時(shí)，就緒的任務(wù)就開始執(zhí)行，這樣就完成了整個(gè)系統(tǒng)功能的調(diào)度.

圖4　系統(tǒng)任務(wù)流程

5元素?zé)粝涞闹骺剀浖O(shè)計(jì)

PC機(jī)主控軟件使用Labview[6]進(jìn)行開發(fā).Labview擁有全面的系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)境、獨(dú)特的圖形化編程語言、內(nèi)置軟件功能和硬件接口工程庫，同時(shí)具有數(shù)據(jù)分析、可視化和共享功能.它支持CAN通信，并且支持動態(tài)鏈接庫的調(diào)用.

根據(jù)Labview的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，一方面利用圖形化語言設(shè)計(jì)界面，另一方面數(shù)據(jù)處理和算法通過VC++編寫動態(tài)鏈接庫，這樣將兩者完美地結(jié)合起來，充分發(fā)揮Labview的優(yōu)勢.

元素?zé)粝涞闹骺亓鞒倘鐖D5所示，軟件界面如圖6所示.

圖5　主控流程

圖6　軟件界面

從圖6中可以看出：整個(gè)主控界面包括了元素?zé)舻倪x擇、元素的介紹、能量值的采集.在界面下方有各個(gè)燈的元素、狀態(tài)、電流、波長、背景方式等信息，當(dāng)按下調(diào)整按鈕時(shí)，進(jìn)行光路調(diào)整.

6測試結(jié)果

在圖6的主控界面中，輸入汞燈預(yù)熱，砷燈打開.砷燈的工作電流為24 mA，波長為193.7 nm，光譜帶寬為0.5 nm，并且打開的氘燈作為儀器檢測的背景燈光.在光路調(diào)整以后，可以在下位機(jī)看到切光鏡切換到了5號位，即砷燈所在的燈位.半透半反鏡是用于把氘燈的燈光加入到主光路中，這里打開了氘燈，所以，半透半反鏡也跟著切換.而目前沒有用到特定的光，不需要切換濾色片，所以，濾色片在復(fù)位位置沒有動作.

通過萬用表檢查元素?zé)舻碾娏饕约坝^察主光路中的光，可以明顯看出：砷燈的燈光通過切光鏡的反射已進(jìn)入主光路，氘燈的燈光通過半透半反鏡反射也進(jìn)入主光路，萬用表測量的元素?zé)綦娏鳛?4 mA，與主控界面相符.

7結(jié)論

系統(tǒng)通過把原子吸收分光光度計(jì)的集中控制系統(tǒng)拆分成嵌入式分布式系統(tǒng)，使整個(gè)系統(tǒng)排線更少，組裝更方便，控制更精準(zhǔn)，價(jià)格更便宜.系統(tǒng)已經(jīng)完成了實(shí)際測試.測試結(jié)果證明：在實(shí)際應(yīng)用中，拆分成嵌入式分布式系統(tǒng)之后，增強(qiáng)了企業(yè)原子吸收分光光度計(jì)的競爭力，提高了儀器的性能，降低了儀器的成本.由于加入了自檢系統(tǒng)，極大便利了整個(gè)系統(tǒng)的維護(hù)，加大了產(chǎn)品的市場競爭力.

參考文獻(xiàn)：

[1]李昌厚.原子吸收分光光度計(jì)儀器及其應(yīng)用的最新進(jìn)展[J].生命科學(xué)儀器,2006,4(4):3-8.

[2]丁新宇，李洪山.原子吸收分光光度計(jì)的發(fā)展與維護(hù)[J].生命科學(xué)儀器,2009,7(5):58-60.

[3]劉立月,王更生,魏永豐.分布式系統(tǒng)時(shí)鐘同步設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程,2006,32(2):279-281.

[4]南亦民.基于STM32標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫STM32F103xxx外圍器件編程[J].長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2010,10(4):41-45.

[5]王曉鳴,王樹新,張宏偉.實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-Ⅱ在ARM上的移植[J].機(jī)電一體化,2007(1):56-58.

[6]龔進(jìn)峰,李艷文,張宏偉,等.基于LabVIEW的CAN總線數(shù)字式儀表檢測系統(tǒng)的開發(fā)[J].汽車工程,2010,32(5):443-446.

Atomic Absorption Spectrophotometer Element Lightbox Design Based on ARM

JIN Ye1，WEI Li-feng1，WANG Qing-hui1，GU Xin-lei2，LI Yue2

(1.Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China;2.Shenyang Huaguang Precision Instrument Co.,LTD, Shenyang 110036, China)

Abstract:Now the atomic absorption spectrophotometer is designed by centralized control system.So we hope to use distributed systems to replace centralized control system.The system uses STM32 as a main MCU.STM32 is based on ARM architecture.This system uses three stepper motors,one D/A digital chip,its won A/D and electromagnetic relay to control light path.Then the system communicates with PC by can bus.The new system has finished testing.The result shows that distributed systems will use less cable,control more accurately and have a good market competitiveness.

Key words:spectrophotometer;embedded system;CAN;distributed systems

中圖分類號：TP873

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi:10.3969/j.issn.2095-2198.2016.01.015

文章編號：2095-2198(2016)01-0076-05

作者簡介：金燁(1989-)，男，浙江紹興人，碩士研究生在讀，國家獎學(xué)金獲得者，主要從事智能測控技術(shù)與裝置、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究.通訊聯(lián)系人：魏立峰(1962-)，男，遼寧沈陽人，教授，博士，主要從事智能測控技術(shù)與裝置、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究.

收稿日期：2014-01-03